回声测深仪远程计量校准研究

韩鸿胜，李先瑞，栗克国

(交通运输部天津水运工程科学研究所 国家水运工程检测设备计量站，天津 300456)

回声测深仪是一种利用声波在水中反射进行深度测量的设备，在水运工程领域应用广泛，其测深数据准确与否对水运工程勘察、设计和科研等领域具有较大意义。早期回声测深仪校准通过人工测量的方式，方法笨重、繁琐、精确度低，很难实现回声测深仪的精确测量，远程交互通信功能更无法实现。前期研制的回声测深仪校准装置可有效而精确模拟水深和脉冲信号，可代替真实水深对单波束回声测深仪进行校准，精确度能够达到计量校准性能要求，具有较高的普及价值，然而，在进行数据分析和校准的过程中，回声测深仪校准装置只能近距离进行数据的收集、记录和观测，该方式无法实现远距离对采集数据的分析和处理。本文主要介绍回声测深仪校准装置远程交互功能的实现和通信原理[1]。

图1 回声测深仪校准装置原理图Fig.1 Echo sounder calibration device principle diagram

1 回声测深仪校准装置

回声测深仪校准装置用来校准回声测深仪测量准确性以及精确性，通过对回声测深仪发出的脉冲簇信号分析和处理，模拟出与其频率、脉宽、个数相一致的回波信号，通过算法将设置的深度值转换成对应的延时时间，经过延时处理后，将处理后的回波信号发送回测深仪输入端(图1)。回声测深仪接收到模拟的回波信号后，通过算法计算得到水深。若校准装置通过算法的处理的回波信号的延时时间，与回声测深仪接收回波信号的时间相一致，则水深测量的数据一致，则证明测深仪能够正常工作，从而达到校准的目的[2]。

随着水运工程测量和开发的要求越来越高，测深精度也更加引起人们的重视。为了提高测量精度，必须确定测深产生误差的各种因素，研究提高测深精度的方法。在测深产生误差的各种因素中，有使用回声测深仪测得深度需要改正的误差，如声速改正误差对水深的影响；以及人为误差，如模拟测深人工量取记录水深时的读数误差等。但是，最为重要的误差是回声测深仪自身的误差(仪器误差)，测深仪自身的精度(仪器精度)对测深精度造成的直接影响。回声测深仪校准装置即通过对回声测深仪的检定来判断测深仪仪器设备的精度是否符合计量检定的标准和使用要求。

2 远程交互功能实现

2.1 远程交互功能实现方式

远程交互功能采用无线通信方式，无线通信是利用电波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，通过电磁波在空气中的传输实现无线信号的传输。目前成熟的无线通信技术有GPRS、移动网络、ZigBee、蓝牙、WiFi、RFID等，表1给出了不同通信技术在传输距离、传输速度、工作频段等相关技术指标比较。

表1 通信技术参数比较Tab.1 Communication technology parameters

图2 ESP8266芯片结构图Fig.2 ESP8266 chip structure

WiFi技术主要使用2.4 G附近频段，基于IEEE802.11或IEEE802.11b协议的设备作为发射信号发射设备，通过调整带宽来实现信号传输的可靠性和稳定性，与其他通信技术相比，WiFi技术传输速率快，工作频段稳定[3]。考虑到回声测深仪校准装置使用范围、环境条件、传输速率及稳定性，采用WiFi技术实现回声测深仪校准装置数据的远程交互。

2.2 远程交互功能硬件设计

图3 WiFi模块电路图Fig.3 WiFi module circuit diagram

远程交互功能硬件核心采用ESP8266芯片(图2)，该芯片内部集成32位CPU处理器，作为WiFi传输协议处理器，主频支持80 MHz和160 MHz两种频率，通过编写应用程序下载到芯片进行WiFi传输，处理器可以运行开发者编写的应用程序，应用程序可通过ESP FLASH DOWNLOAD TOOL工具通过UART0烧写到芯片外接的SPI Flash；配置SRAM，拥有50 k内存可供开发者编程；带有SDIO接口、SPI接口、GPIO接口、I2C接口，GPIO口有PWM的复用功能[4]。

如图3所示，ESP8266芯片通过串口与回声测深仪校准装置进行连接，当回声测深仪校准装置将处理的数据传输给ESP8266芯片时，ESP8266判断UART传来的数据时间间隔，若时间间隔大于20 ms，则认为一帧结束；否则，一直接收数据到上限值2 KB，认为一帧结束[5]。ESP8266判断UART来的数据一帧结束后，通过芯片RX和TX将数据发送出去从而实现数据的传输。

为提高远程交互功能通信能力，WiFi模块采用需连接天线来增强信号强度和传输距离，目前随着市场竞争的加剧，硬件设备正以集成化的方向发展，天线也由外置进化内置再进化到嵌入式，天线种类主要有On Board板载式、SMT贴装式、IPX外接式。板载式天线直接与线路板一同设计、形成，易于生产、成本低廉；贴片式天线材质有陶瓷、金属片等，该天线尺寸小、便于安装和集成；IPX外接式天线特点是安装自由、增益效率高，性能优良，设计者可以根据空间结构环境进行自由匹配调试，表2给出了3种天线在规格和性能参数上的相关技术指标比较。

表2 天线技术参数比较Tab.2 Antenna technology parameters

图4 精密半波整流电路Fig.4 Precision half-wave rectifier circuit

为降低输入信号和信号传送过程中的干扰影响，本次研究采用精密型半波整流电路(图4)获取载波信号的正弦波电压值并通过电压跟随器将电压值有效传导。传统半波整流电路中，输入电压幅值小于二极管的开启电压时，二极管在信号的整个周期均处于截止状态，输出电压始终为零，即使输入电压幅值足够大，输出电压也只反映输入电压大于输出电压的那部分电压的大小。在输入电压与输入电压相差不大时，输出整流波形在小信号附近的失真非常明显。因此，传统半波整流电路无法实现对微弱信号的整流。本研究采用精密半波整流电路可以将微小的交流电压过零处附近准确转换成直流电压，从而实现对小信号电压的精确测量[6]。

考虑到负载电压平均值、整流负载端电压脉动系数以及最大整流电流，即

图5 匹配网络电路Fig.5 Match network circuit

式中：UAV为负载端电压平均值，V；UIN为输入端电压值，V；S为整流负载端电压脉动系数，无量纲；UOM为负载端基波峰值电压值，V；UO为负载端电压值，V；RO为负载电阻，Ω；IF为最大整流电流，A。

考虑到天线的效率及增益，采用IPX外接式天线增强数据间的通信，除此之外，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响，为了使反馈信号与天线良好匹配，在放置天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构并加装匹配网络装置，图5即通过π型网络增强信号强度并消除反射损耗和干扰杂波[7]。

考虑到信号的最佳接收准则中的最小均方误差准则，即

图6 STA组网模式传输Fig.6 STA network mode transmission

匹配网络即通过有效的滤波功能，保证天线获取有效的工作频率的功率，抑制工作频率以外的谐波分量和干扰，降低接收器输入端信号和噪声的混合波形，并通过阻抗匹配将信号功率传送到负载天线上，从而降低信号接收误差，提高信号质量和通信准确性。

2.3 远程交互功能组网及工作模式

回声测深仪校准装置远程交互功能组网模式为STA组网模式(图6)。在STA组网模式下，ESP8266作为client、server进行TCP/IP连接，TCP网络通信分为物理层、数据链路层、网路层、应用层。物理层与通信介质建立连接及拆除连接，以及相应信号之间的调制或转换；通过数据链路层连接到AP，获取相应网络的IP地址；在网络层进行TCP/IP连接，分为CLIENT和SERVER模式，作为CLIENT模式可以连接远程SERVER，作为SERVER模式可以监听远程CLIENT信息；通过应用层将接收到的信息和数据进行解读和识别[8]。

WiFi工作模式采用串口透明传输模式，该模式优势在于可以实现串口的即插即用，最大程度上降低使用复杂度。该模式下只需配置无线网络参数(网络名称、安全模式、密钥)、默认TCP/UDP连接参数(协议类型、连接类型、目的端口、目的IP地址)、串口参数(波特率、数据位、校验位、停止位、硬件流控)即可。

3 试验结果分析

使用回声测深仪校准装置对海鹰HY1600型回声测深仪和中海达HD-310型回声测深仪进行远程校准测试，测试结果见表3和表4。

表3 海鹰HY1600型回声测深仪远程校准测试Tab.3 Remote calibration test of Eagle HY1600 Echo Sounder m

注：海鹰HY1600型回声测深仪最大测深150 m。

表4 中海达HD-310型回声测深仪远程校准测试Tab.4 Remote calibration test of CSCL HD-310 Echo Sounder m

注：中海达HD-310型回声测深仪最大测深600 m，考虑到150 m后波速角较大，数据测量有很大误差，因此测试范围为150 m以内。

图7 仪器测试Fig.7 Instrument test

数据通过WiFi模块将数据信号以无线传输的方式传输到计算机通讯口处，因此，采用一种商业网络调试助手软件USR-TCP-232TEST，用于进行接收并显示来自于WiFi传送来的实时数据(图7)，并通过回声测深仪校准装置通信协议的设置，将数据及时上传到上位机系统，在无外界因素干扰的情况下，回声测深仪远程校准功能精确度良好，并能够实现100 m的有效通信。

使用回声测深仪校准装置对海鹰HY1600型回声测深仪和中海达HD-310型回声测深仪进行远程校准测量与上述两种回声测深仪通过现场校准测量，测试结果见表5和表6。

表5 海鹰HY1600型回声测深仪远程校准与现场校准测试比较Tab.5 Comparison of remote calibration and on-site calibration test of Eagle HY1600 Echo Sounder m

表6 中海达HD-310型回声测深仪远程校准与现场校准测试比较Tab.6 Comparison of remote calibration and on-site calibration test of CSCL HD-310 Echo Sounder m

表7 回声测深仪校准装置远程校准稳定性测试Tab.7 Stability test of remote calibration of echo sounder calibration device

通过回声测深仪校准装置的远程校准测试和现场校准测试，在相同设定水深的条件下，回声测深仪校准装置测试结果数据无较大误差，能够正常实现数据的远程交互功能。

考虑到MCU主机对数据采集的频率较高，因此通过计算机向回声测深仪校准装置发送50 000条数据，通过观察接收返回数据的条数，算出相应数据的丢包率，从而进行回声测深仪远程校准稳定性测试，测试结果见表7。

通过回声测深仪校准装置远程校准稳定性测试，在发送数据数相同的情况下，回声测深仪校准装置接收数据结果均在有效范围内，但随着传输距离的扩大，丢包率也有所增加。

4 结论

回声测深仪校准装置的远程交互功能实现了回声测深仪装置的远程计量，解决了回声校准仪远程计量的空白，其测量精确值和误差符合国家计量检定要求，其数据传输稳定、误码率低，在远程计量校准工作中具有使用价值。后期根据要求进一步编制上位机软件，通过计算机上位机实现测量数据的实时监控功能和测量数据的存储记录功能。

回声测深仪校准装置的远程交互功能可以应用于水运工程领域在线计量工作，不仅能够完成回声测深仪仪器主机的现场计量检定，还可以实现回声测深仪仪器主机的远程计量检定，该装置以物联网技术为支撑，结合移动互联网在计量检测领域的应用，以满足用户实际需求为导向，进行最优化的系统设计。参考虚拟实验室技术对回声测深仪主机进行模拟分析，并通过实际试验验证装置的稳定性和精确性。

回声测深仪作为水运工程典型的检测设备，应用市场容量大，范围适用广，因此回声测深仪校准装置的远程交互功能具备良好的推广前景，而且为进一步推广远程在线计量研究打下了坚实基础。目前国家计量站已与国内知名回声测深仪生产厂家签署合作协议，为本项目的开发、研制、试验提供了重要支撑。在线计量作为计量领域新兴技术，未来必将在更加广泛的领域获得应用，尤其在水运工程领域仪器送检不方便方面，对在线计量的需求量更大，具有非常光明的产业化前景。

参考文献：

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